Xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát theo thời gian thực thông số môi trường nước thải, khí thải ở các khu công nghiệp và đô thị

khoa học - công nghệ và đổi mới sáng tạo

Xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát theo thời gian thực
thơng số mơi trường nước thải, khí thải ở các khu công nghiệp và đô thị
Trịnh Trọng Chưởng
Phó Viện trưởng Viện Cơng nghệ,
Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội

Thông qua việc thực hiện một nhiệm vụ cấp nhà nước, các nhà khoa học thuộc Trường Đại học Công
nghiệp Hà Nội và Công ty Cổ phần công nghệ và phân tích chất lượng cao Hải Dương đã xây dựng
thành công hệ thống thu thập và giám sát theo thời gian thực thơng số mơi trường nước thải, khí thải
ở các khu cơng nghiệp và đơ thị, góp phần quan trọng nâng cao hiệu quả công tác giám sát, quản
lý mơi trường ở nước ta.
Bài tốn ơ nhiễm
Sự phát triển của nền kinh tế gắn
liền với tốc độ phát triển nhanh chóng
của các khu cơng nghiệp, nhưng
điều đó cũng gây tác động nhất định
đến môi trường xung quanh, đặc biệt
là mơi trường nước và khơng khí. Là
một trong những quốc gia dễ bị tổn
thương nhất trước biến đổi khí hậu,
việc tìm cách chủ động ứng phó và
thích ứng phù hợp đang ngày càng
trở nên cấp bách ở nước ta. Trong
thời gian qua, đã có rất nhiều trạm
quan trắc mơi trường đi vào vận hành
phục vụ các yêu cầu giám sát và
quản lý như: trạm quan trắc khí tượng
thủy văn, đo mực nước ngầm; giám
sát khơng khí, nước thải cơng nghiệp,

nước thải sinh hoạt, nước thải y tế...
Trước đây, khi lắp đặt các trạm
quan trắc, việc truy vấn các dữ liệu
quan trắc đều được trích xuất từ máy
tính của trạm. Điều này tạo điều kiện
thuận lợi cho quá trình theo dõi, xử lý
sự cố môi trường tại chỗ và báo cáo
định kỳ của tổ chức, doanh nghiệp.
Tuy nhiên, đây cũng chính là một
trong những nguyên nhân làm cho
số liệu quan trắc có thể bị can thiệp
và làm sai lệch. Vấn đề này đã đặt
ra yêu cầu cần phải chủ động thiết
lập hệ thu thập dữ liệu trực tiếp từ
cảm biến, để các số liệu này tự động

truyền trung thực không qua các thiết
bị trung gian đến cơ quan quản lý nhà
nước về môi trường. Nguyên lý làm
việc chung của các trạm quan trắc tự
động là: các cảm biến đo chất lượng
nước, khí thải online được gắn sẵn
trên Panel lắp đặt trong tủ quan trắc.
Bên trong tủ quan trắc được tích hợp
thiết bị thu thập dữ liệu (Datalogger)
+ truyền thông không dây (Wireless
- GSM/GPRS) có chức năng truyền
các giá trị giám sát chất lượng
nước, khí thải về trung tâm giám sát
(Central Room - SCADA) hoặc các

cơ quan chức năng (Sở Tài ngun
và Mơi trường, Tổng cục Mơi trường)
với tần suất ít nhất 30 phút/lần và lưu
trữ được liên tục ít nhất là 30 ngày số
liệu gần nhất. Ngoài ra, hệ thống thu
thập, truyền dữ liệu này cịn phải có
khả năng nhận tín hiệu điều khiển từ
các cơ quan quản lý phục vụ việc lấy
mẫu từ xa tại thời điểm bất kỳ. Giá
thành các trạm quan trắc hiện nay
khá cao, dao động từ 800 triệu đến
1,8 tỷ đồng (đối với quan trắc nước
thải và tùy thuộc số lượng chỉ tiêu
đo); từ 3,2 đến 10 tỷ đồng (đối với
quan trắc khí thải ống khói nhà máy
và tùy thuộc số lượng chỉ tiêu đo).
Đặc biệt, công tác quan trắc và
thu thập dữ liệu ở nước ta phần nhiều
đang thực hiện theo phương thức thủ
công, tức là thực hiện theo phương

thức: lấy mẫu nước thải, khí thải tại
nguồn phát theo định kỳ hoặc khi có
phát sinh sự cố môi trường (kể cả
trong trường hợp nguồn phát thải đã
có lắp đặt trạm quan trắc tự động),
sau đó chuyển mẫu về phịng thí
nghiệm để phân tích. Việc lấy mẫu
ngẫu nhiên ở một thời điểm bất kỳ (ví
dụ ban đêm) để đánh giá xác suất

tính trung thực của nguồn phát thải
gần như khơng thể thực hiện vì thiếu
cơ chế giám sát và hệ thống kỹ thuật
phục vụ. Gần đây, mặc dù mạng lưới
các trạm quan trắc tự động đã, đang
được triển khai lắp đặt và vận hành
rộng rãi trên phạm vi cả nước (tuy
số lượng chưa nhiều) nhưng cũng
đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về tính
kết nối để có bộ dữ liệu dùng chung
(đủ lớn và đủ dày về mật độ dữ liệu
quan trắc), giúp kiểm soát diện rộng
về tình trạng mơi trường và phục vụ
cơng tác kiểm sốt ơ nhiễm.
Sự vào cuộc của viện, trường, doanh
nghiệp
Nhằm kiểm sốt, giám sát chặt
chẽ ơ nhiễm mơi trường, kịp thời phát
hiện, xử lý nghiêm hành vi gây ô
nhiễm môi trường, năm 2018, dự án
“Hồn thiện thiết kế, cơng nghệ chế
tạo, tích hợp hệ thống thu thập dữ liệu
và giám sát thời gian thực chất lượng
nước thải, khí thải ứng dụng cho khu

Số 4 năm 2021

39

Khoa học - Công nghệ và đổi mới sáng tạo

công nghiệp và đơ thị” thuộc Chương
trình “Hỗ trợ phát triển doanh nghiệp
khoa học và công nghệ và tổ chức
khoa học và công nghệ công lập
thực hiện cơ chế tự chủ, tự chịu trách
nhiệm” do Trường Đại học Công
nghiệp Hà Nội phối hợp cùng Công
ty Cổ phần công nghệ và phân tích
chất lượng cao Hải Dương đề xuất
đã được Bộ Khoa học và Công nghệ
phê duyệt thực hiện nhằm mục tiêu
thiết kế một hệ thống tổng thể, xây
dựng một sản phẩm mang thương
hiệu trong nước. Sau 2 năm triển
khai thực hiện (2018-2020), dự án đã
hoàn thiện các nội dung gồm:
Thứ nhất, thiết kế phần cứng:
dự án đã thiết kế tổng quan bộ thu
thập dữ liệu với khối vi xử lý có chức
năng chính là đọc dữ liệu cảm biến,
xử lý dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, kết nối
truyền thông gửi dữ liệu khi có yêu
cầu từ các thiết bị ngoại vi bên ngoài
và điều khiển toàn bộ hoạt động của
hệ thống. Khối đầu vào analog IN là
khối giao diện đầu vào có mức điện
áp trong dải 0-10 V. Tín hiệu điện áp
từ cảm biến sẽ được đưa tới các đầu

vào analog. Vi xử lý sẽ đọc các kênh
analog và xác định giá trị của tín hiệu.
Khối đầu ra số có chức năng cung
cấp tín hiệu logic để điều khiển các
thiết bị ngoại vi bên ngồi. Khối giao
tiếp RS232/RS485 có chức năng kết
nối MCU với các thiết bị ngoại vi bên
ngồi thơng qua hình thức truyền
thơng nối tiếp theo chuẩn RS232/
RS485. Đây là các chuẩn truyền
thông được dùng phổ biến trong hệ
thống công nghiệp. Khối giao diện
HMI cho phép người vận hành theo
dõi thiết bị, thiết lập các lệnh điều
hành, điều khiển dataloger tại hiện
trường. Thiết bị sử dụng màn hình
LCD 2004 và các phím nhấn cùng
đèn LED thuận lợi cho quá trình quan
sát theo dõi và vận hành. Thiết bị có
khả năng nhận tín hiệu điều khiển từ
máy lấy mẫu để lấy và lưu mẫu từ xa,
truyền dữ liệu tất cả các thông số từ
trạm quan trắc về cơ quan quản lý
một cách chính xác và an tồn. Dữ

40

liệu thu nhận sẽ được truyền về cơ
quan quản lý nhà nước với tần suất
tối thiểu 5 phút/lần, có cảnh báo vượt

ngưỡng, truy vấn dữ liệu, gửi tin nhắn
đến thuê bao di động khi có thơng
số bất kỳ nào đó bị vượt ngưỡng. Tất
cả các dữ liệu đều được hiển thị dưới
dạng bảng, file, đồ thị, bản đồ theo
thời gian thực và được lưu trữ tại máy
tính chủ.
Thứ hai, thiết kế phần mềm: phần
mềm được viết bằng ngơn ngữ lập
trình Java kết hợp với hệ quản trị cơ
sở dữ liệu mã nguồn mở MySQL.
Đây là ngơn ngữ lập trình mã nguồn
mở, có thể chạy trên tất cả các nền
tảng phần cứng và các hệ điều hành.
Dữ liệu đầu vào của bài toán được
lấy trực tiếp từ các cảm biến ở trạm
quan trắc đặt tại các khu công nghiệp
thông qua bộ thu phát dữ liệu sử
dụng công nghệ GSM. Phần mềm
cho phép chuyên viên của cơ quan
quản lý về mơi trường có thể quan
sát, lưu trữ dữ liệu tại các trạm quan
trắc, xem chỉ số chất lượng khơng khí
(AQI); phần mềm có tính mở để cho
phép người quản trị có thể thêm/sửa/
xóa các trạm hoặc các tham số quan
trắc mới phát sinh một cách dễ dàng.
Ngồi ra, phần mềm cịn có các tính
năng cơ bản khác như: chống tấn
công mạng bằng các phương pháp

mã hóa đối xứng và bất đối xứng; bảo
mật bằng cách sử dụng chữ ký điện
tử để xác thực thông tin và mã hóa
dữ liệu theo thuật tốn RSA, xác định
vết người truy cập; có cơ cấu bảo vệ
mẫu dữ liệu và kết quả đo lường để
tránh gian lận.
Đặc biệt, dự án đã chế tạo thành
công 20 bộ thu thập dữ liệu quan trắc
chất lượng nước thải, khí thải và phần
mềm giám sát trực tuyến dữ liệu
môi trường (bao gồm cả phần mềm
cho cơ quan quản lý và phần mềm
áp dụng cho doanh nghiệp). Sản
phẩm đã được lắp đặt và vận hành
thực tế tại 20 trạm quan trắc đặt tại
các doanh nghiệp, nhà máy xi măng,
công ty nhiệt điện trên địa bàn tỉnh
Hải Dương và tỉnh Hà Nam. Hệ thống

Số 4 năm 2021

có khả năng nhận tín hiệu điều khiển
máy lấy mẫu để lấy và lưu mẫu từ
xa, truyền dữ liệu từ trạm quan trắc
về Sở Tài nguyên và Môi trường một
cách chính xác và an tồn. Sở Tài
ngun và Mơi trường ở địa phương
sẽ là nơi tiếp nhận dữ liệu truyền
về từ hệ thống quan trắc khí thải và

nước thải một cách tự động, liên tục.
Đặc biệt, hệ thống đã nhận biết được
các diễn biến bất thường của trạm
quan trắc, trong đó có thể phát hiện
lỗi thiết kế trong cơng tác xây dựng
kênh đo lưu lượng nước ở 3 nhà máy
xử lý nước thải
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Việc ứng dụng các cơng nghệ
truyền dữ liệu đóng vai trị then chốt
trong các hoạt động quan trắc môi
trường ở các doanh nghiệp và khu
công nghiệp, cụm công nghiệp tập
trung. Hoạt động này được thực hiện
nhằm đảm bảo cung cấp được nguồn
dữ liệu liên tục, có tính bảo mật cao và
an toàn cho đơn vị quản lý và người
sử dụng. Quá trình sử dụng cơng
nghệ thu thập dữ liệu độc lập ở trạm
quan trắc sẽ đảm bảo được tính chính
xác, tồn vẹn trong file dữ liệu gốc,
cho phép truy vấn lại những dữ liệu
quá khứ trong một khoảng thời gian
đủ lớn. Với việc chế tạo thành công
hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát
thời gian thực thông số môi trường
nước thải, khí thải đã đáp ứng được
các yêu cầu của người dùng, thỏa
mãn được yêu cầu về truyền/nhận dữ
liệu đối với các trạm cịn gặp nhiều

khó khăn về địa lý, cơ sở hạ tầng.
Trong thời gian tới, dự án sẽ tiếp
tục nâng cấp, cập nhật nhằm nâng
cao hiệu quả, sự ổn định, độ chính
xác của hệ thống. Đồng thời tối ưu
hóa quy trình sản xuất, thiết kế và
chế tạo để giảm giá thành sản phẩm,
góp phần nâng cao khả năng cạnh
tranh trên thị trường, là công cụ hỗ
trợ hiệu quả cho cơng tác quản lý
chất lượng nước thải, khí thải trong
các khu công nghiệp hiện nay ?